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理化所发光碳量子点研究取得系列进展

2012.3.26

　　碳元素是地球上所有已知生命的基础，在人类历史发展和现代科技进步中起到了举足轻重的作用。伴随C₆₀、纳米碳管和石墨烯等纳米碳材料的发展，近两年碳量子点成为研究热点。与先前的蜂房结构纳米碳相比，碳量子点具有优越的发光性能；与半导体量子点相比，碳量子点发光更稳定、易于功能化和工业化、无毒、制备简单廉价，预期将给发光材料、光电器件、绿色环保、生物医学等领域带来新的发展空间。在此背景下，开展碳量子点的基础研究具有重要的理论意义和应用价值。

　　在国家自然科学基金支持下，中国科学院理化技术研究所分散体系化学与材料研究组自2008年以来围绕发光碳量子点的制备、性能及其相关材料研究开展了一系列工作，取得良好的进展。最近两年在合成方法、相关材料设计制备方面取得突破性进展。研究人员建立了在高温溶剂中一步合成发光碳量子点方法，通过选择性使用溶剂和表面包覆剂，获得尺寸5nm左右的亲油性和亲水性的碳量子点，发光量子效率(QY)分别为61% (已经与半导体量子点相当)和47%，具有明显的激发波长依赖的发光特性。以亲油性的碳量子点为发光层，与中科院长春应化所合作，制作了首个碳量子点发光器件，器件具有明亮的白光，色坐标为（0.40, 0.43），CRI指数82。在电压为9V时亮度达到最大（35cd/m²），最大外量子效率为0.083%。这是用发光碳量子点制作白光器件的首次尝试。硅烷功能化的碳量子点还可用于细胞荧光标记。

　　上述研究结果在Adv. Funct. Mater（2011, 21, 1027）和ChemComm（2011, 47, 3502）杂志上发表后，立刻引起同行的关注和兴趣。国际著名分析化学家Isiah M. Warner与美国12所大学的化学研究人员在联合撰写的综述（Anal. Chem. 2012, 84, 597)中，连续用了两个“首次”高度评价本项研究结果：“首次报告了用含氨基的有机硅烷配位溶剂，通过与柠檬酸进行酰胺化反应，在不到1分钟的反应时间内形成发光碳量子点（47%QY）的新合成方法……研究小组首次证明了C-量子点可以作为新一类发光体用于发展高性能白光LED器件”。

　　此外，研究人员还发明了碳量子点原位预功能化技术，硅烷功能化的碳量子点可与多种有机硅烷水解共聚，实现碳量子点与基质的共价键化学连接、分子水平分散和任意浓度掺杂，获得一系列均质碳量子点杂化复合材料和宏观块体。其中，有机无机杂化碳量子点共聚凝胶玻璃绝对发光效率最高可达88%，远远高于已报道的半导体量子点复合材料的最高发光效率；在可见和近红外区域具有高透光率（~90%）；并具有优良的光、热和力学稳定性。研究表明，碳量子点及其复合材料具有宽波段(532, 1064nm)光限幅性能。通过调整碳量子点的掺杂浓度（0-100%），可实现杂化复合材料的光、热和力学多种性能的方便调控。

　　上述研究结果新近以通讯形式，发表在Adv. Mater.（2012，DOI:10. 1002/adma. 201104962）上。

研究半导体量子点复合材料

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